20日凌晨上線的國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》在線發(fā)布了中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉教授及其同事彭承志、范靖云等與美國加州理工學(xué)院、澳大利亞昆士蘭大學(xué)等單位的科研人員合作完成的一項(xiàng)成果——利用“墨子號”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星對一類預(yù)言引力場導(dǎo)致量子退相干的理論模型進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)。這是國際上首次利用量子衛(wèi)星在地球引力場中對嘗試結(jié)合量子力學(xué)與廣義相對論的理論進(jìn)行實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，將極大地推動相關(guān)物理學(xué)基礎(chǔ)理論和實(shí)驗(yàn)研究。
　　我們知道，量子密碼之所以安全，就是因?yàn)榱孔蛹m纏存在遙遠(yuǎn)距離之間的關(guān)聯(lián)性。那么，引力會不會讓糾纏的光子發(fā)生變化呢？簡單地說，這次實(shí)驗(yàn)就是要在一定范圍內(nèi)回答這個(gè)問題。
　　對科學(xué)家而言，這不僅是要解答引力與量子力學(xué)之間的關(guān)系，更涉及一個(gè)所有物理學(xué)家都非常關(guān)心的根本問題：廣義相對論和量子物理是否有大一統(tǒng)的可能性。
　　中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授、試驗(yàn)的主要參與者之一陳宇翱介紹，量子力學(xué)和解釋引力的廣義相對論是現(xiàn)代物理學(xué)的兩大支柱。它們在各自的領(lǐng)域都取得了巨大成功，但任何試圖將它們?nèi)诤系睦碚摴ぷ鞫加龅綐O大困難——在目前已知的四種基本相互作用中，電磁、弱相互作用和強(qiáng)相互作用都已量子化，而且已經(jīng)統(tǒng)一，唯有關(guān)于引力作用的量子化問題一直懸而未決。而這次實(shí)驗(yàn)，就是多國科學(xué)家共同合作，試圖在某個(gè)層面上將廣義相對論和量子物理學(xué)放入一個(gè)統(tǒng)一理論框架中，并用“墨子號”量子衛(wèi)星對其中一種理論進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)。
　　在引力與量子力學(xué)的問題上，理論物理學(xué)家曾經(jīng)提出了多種解釋，但都缺乏實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)——一個(gè)主要的原因是難以達(dá)到所需要的極端實(shí)驗(yàn)條件。于是，理論物理學(xué)家更進(jìn)一步，探討了一些在目前實(shí)際條件下可能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的新機(jī)制，比如澳大利亞物理學(xué)家就提出一個(gè)“事件形式”理論模型。該方案預(yù)言，糾纏光子對在地球引力場中的傳播，其關(guān)聯(lián)性會概率性地?fù)p失。
　　量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星正是檢驗(yàn)這一理論的理想平臺。得益于“墨子號”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星的前期實(shí)驗(yàn)工作和技術(shù)積累，本研究在國際上率先在太空開展引力誘導(dǎo)量子糾纏退相干實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，對穿越地球引力場的量子糾纏光子退相干情況展開測試。
　　最終，通過一系列精巧的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和理論分析，本次實(shí)驗(yàn)令人信服地排除了“事件形式”理論所預(yù)言的引力導(dǎo)致糾纏退相干現(xiàn)象；在實(shí)驗(yàn)觀測結(jié)果的基礎(chǔ)上，該工作對之前的理論模型進(jìn)行了修正和完善。修正后的理論表明，在“墨子號”現(xiàn)有500公里軌道高度下，糾纏退相干現(xiàn)象將表現(xiàn)得比較微弱。潘建偉說：“我們排除了‘事件形式’較強(qiáng)的理論模型，但還有其他版本的理論模型有待檢驗(yàn)。”
　　這個(gè)試驗(yàn)只是開始，潘建偉說：“經(jīng)過修正后的理論模型是否正確仍然懸而未決。”為了進(jìn)一步進(jìn)行確定性的驗(yàn)證，未來需要在更高軌道的實(shí)驗(yàn)平臺開展研究。潘建偉介紹，團(tuán)隊(duì)將發(fā)射一顆新的衛(wèi)星，預(yù)計(jì)它的軌道將比“墨子號”高20到60倍，其中一項(xiàng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)任務(wù)就是能夠在理論預(yù)言更強(qiáng)的糾纏退相干范圍內(nèi)進(jìn)行檢驗(yàn)。
　?。ㄔd于《光明日報(bào)》 2019-09-22 04版）